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CAE其实没有那么容易,所以才会特别让人着迷!

2017-9-30 15:23| 发布者: weixin| 查看: 498| 评论: 3|原作者: weixin|来自: 声振论坛公众号

摘要: 如何成为一个合格的有限元分析工程师。
  今天,和大家一起侃侃如何成为一个合格的有限元分析工程师。

  这还要从N多年前传统机械结构设计的状况说起。Long long ago,工程师设计时所依靠的还是设计规范和设计经验,对的,某种程度来说和第六感差不多吧。

  那时候,对于常见结构,传统的设计可以保证结构的安全性,不能保证设计的最优性,不利于结构设计的经济性。对于复杂的结构,这样的设计甚至连使用的可靠性都无法合理的考虑。

  后来,随着现代数值模拟方法在工程领域的应用,计算机辅助分析可以在设计阶段对结构进行校核、优化,使工程师在产品未生产之前就对设计的经济性、安全性有所认识。CAE工具千千万,然而有限元方法由于较为成熟,在工业领域应用最广而脱颖而出了。择日不如撞日,小编今天就为大家带来有限元分析的学习经验,其中有限元分析将特指结构分析。

  作为一个合格的有限元分析工程师
  少了以下三方面技能可是万万不行的

  一、基本功要扎实!!!
  要有坚实的理论基础,包括力学理论(对于结构有限元分析工程师)和有限元理论等等;
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  二、熟练的软件操作!!!
  即能够熟练应用必要的有限元分析软件;

  三、丰富的工程实践经验!!!
  对于不同的工程问题能够准确的做出判断和确定分析方案。

  三个方面中,比较容易解决的是软件操作,在这个盗版软件和“史上最全XX软件教程”满天飞的时代,软件下下,装装so easy!通过一些练习题就可以很快掌握软件操作了。所以,有很多初学者在用几个练习题熟悉了一个或几个案例以后,就以为自己可以做一个分析工程师了,这是极端错误的!!!

  练习题与工程分析的差别在于,在做练习题的时候,拿到手边的已经是简化好的模型了,结构已经简化好了,分析类型已经设定,边界条件和载荷条件已经确定,计算完成后,能够看到和教材上一致的结果就算是完成了。在这个过程中,学习者只学到了软件如何使用,这个过程,不用说大学生,高中生都可以完成。

  在做工程分析的时候,情况就完全不同了,没有人给你指定模型的简化、分析类型,边界条件,在计算完成后,还需要对结果进行分析和评价。在这个过程中,软件的使用变成了整个分析过程中的技术性最低的一个环节。

  说了这么多
  一个完整的工程分析的流程是怎样的呢?

  首先是问题的提出,在工业实践中,提出问题的部门通常是设计部门或生产部门,设计部门会提出要求对某一设计进行某一方面的验证或优化,生产部门会提出对在产品生产或使用过程中出现的缺陷或问题进行分析和解决。

  通常情况下,由于分工的不同,设计或生产的工程师对于有限元分析是没有经验的,他们提出的问题是模糊的:

  设计工程师会问,在某种情况下,我的设计安全吗?

  生产工程师会问,为什么这个产品会坏呢?

  然后是问题的分析,这个过程是需要结构分析工程师与设计工程师或生产工程师共同完成的。接到设计工程师和生产工程师提出的问题时,先对问题做一个初步的判断,是什么样类型的问题,然后对问题进行调查,做出是否需要进行下一步有限元分析的决策。

  如果决定要进行有限元分析,接下来需要更仔细的分析了,需要决定以下几个问题:

  分析目的和分析规模;
  结构简化与计算规模;
  边界条件和载荷条件;
  建立模型的方式;
  计算结果的分析方法。

  等这几个问题决定后,就可以开始计算了。

  在计算结束以后,就需要对结果进行可信度的评价,即要确定计算结果是所设定问题的正确模拟,获得了和实际问题足够近似的结果。在此基础上,才能按照预先定好的结果分析方法对结果进行分析。根据分析的结论,向设计和生产部门提供可靠的建议和意见。

  上面粗略地介绍了工程有限元结构分析的基本流程。从这个流程中,利用软件处理一个设定好的问题只是其中的一个步骤。那么在这个流程对前面提到的三个方面的技能和经验是如何体现出来的?在整个流程中应该注意一些什么关键问题呢?

  工程有限元(结构)分析基本流程
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  在接到设计部门和生产部门提出的问题时,工程判断非常重要,要了解问题的状况,提出问题的目的,根据工程经验做出初步判断。并非所有接到的问题都是需要进一步分析的,有限元分析也不一定是解决问题的最佳手段。在工程中,能够用最少成本和最短时间解决问题的手段才是最佳的。

  要做出正确的初步判断,需要有通过解决大量工程问题积累的经验,需要对常见问题的理论有清晰的解决思路,需要对有限元方法的能力和局限有清楚的认识,同时对于可能进行的有限元分析需要的时间和人力有准确的判断。这个过程中要充分和设计工程师及生产工程师进行沟通,尽量获取更多的资料和数据,避免模糊的直觉判断,无论是否要进行下一步分析,都要提出有理有据的建议。

  在决定需要进行有限元分析后,对即将要进行的分析的理论和本质要有深刻的认识,对自己所可能使用的软件的能力也要心中有数,避免不合理和不切实际的分析计划。运用理论和经验上的判断,决定计算的模型、规模和类型。能够用尽可能简单的模型,尽可能短的时间得到解决问题所需要的分析结果是在制定分析计划中的基本原则。

  熟练的运用有限元软件进行有限元分析,需要对软件有深刻的认识,做到每输入一个参数都清楚知道这个参数的意义和作用,这其实也需要理解有限元和力学的理论,仅仅熟悉软件的界面是不够的。

  获得分析结果后,问题并没有解决,设计和生产部门需要的是简单有效的结论和方案。能够从纷繁复杂的数据中寻找问题的解决方案,需要的仍然是理论和经验。

  一个合格的分析工程师
  应该具备哪些理论知识

  在大学中,我们首先学到的是数学,对于有限元分析,数学同样是最基础的。除了对微积分有深刻认识外,由于在力学领域会涉及到较多的偏微分方程,应此对数理方程应该了解。同时,由于有限元分析是数值计算方法,矩阵论和计算方法作为数值计算的基础,是必须要掌握的。另外的便是变分方法和复变函数了,对于有限元分析工程师,个人认为这两门课程不是必须的,因为对于大多数工程力学分析问题,已经有现成的变分过程可查了,有一点变分的知识就好了。

  其实作为一个学力学出身的人,需要学习的数学太多了,我列举一些我学过的科目,这些科目在学习时没觉得有多少用,但到做有限元时,是可能会用到的,张量理论,偏微分数值方法,最优化方法,积分变换,有了这些数学工具,就能够比较容易理解软件中,从理论到数值的过程。

  作为的专业基础课,力学科目自然是必不可少的,工科(非力学专业)本科教育会学到的是最基础的理论力学,材料力学,或许有结构力学。理论力学给了最基本的力学知识,关注于刚体力学的经典理论,材料力学关注于梁的力学行为,结构力学关注于杆件力学行为。

  硕士以后,就会接触到弹性力学,塑性力学,断裂力学,板壳理论,振动力学。这些科目,不可能记住或推导全部那些纷繁复杂的公式,但是,有一点是重要的,至少,遇到问题,能很容易的到对应的章节去找相关的公式和理论。特别要强调的课应该是弹性力学和振动力学,这两本书是应该烂熟的,如果这两门课没有好好学,一定不能成为合格的有限元分析工程师,因为它们是静力和动力分析的基础。

  学好了数学和力学,就能成为好的分析工程师了吗,当然不能,工程理论仍然必不可少:机械原理,机械零件,金属材料…一个都不能少!!!一些学力学出身的工程师,他们有很好的理论功底,但是ENGINEERING JUDGEMENT却比较差,做工程师毕竟不是做研究员,所以如何将理论真正用到实践中,才是最重要的。

  最后,对照以下标准,看看自己到底是什么级别吧?

  1、菜鸟1级
  会使用AUTOCAD画一些简单的二维图,根据这个图,能想象产品的三维形态。

  2、菜鸟2级
  你的二维图上能够看到公差,材料,表面处理,工艺技术要求等信息了。而且这些信息是你自己标上去的,你知道他们意味着什么。

  3、菜鸟3级
  你会画二维图了,并且你画的图看上去真的能加工出实物来了,尽管有时候会犯一些错误,例如精度要求高的的连德国人都做不出来,更何况你们车间的张师傅。应领导的要求你能用一些三维软件出个效果图看看,虽然没什么实用价值,至少很有成就感。

  4、菜鸟4级
  你已经很清楚你的产品是怎么加工出来的了,而且了解每一道工艺工序的意义何在。如果需要改进,你也大体上能够判断从那里入手,对改进后可能产生的影响,你也 能猜到一二。这个时候,你已经对深刻的认识到二维工程图远比三维模型有意义的多。你开始鄙视那些只会用三维软件建一些三维模型的所谓机械工程师。

  5、菜鸟5级
  你开始了解什么叫企业信息化。知道了三维设计其实很有用,并且可以把你热爱的工艺信息融入到三维设计中来。这个时候你应该已经能够熟练地应用三维软件设计一些常用的零部件,并且生成足以指导生产的二维工程图,或者直接拿到数控设备上加工出来。

  6、菜鸟6级
  你已经能够使用相关设计软件管理生产了,包括设计出图,零部件清单管理(BOM);你对生产流程已经很清楚,能够识别技术关键点并着力解决;甚至已经开始尝试利用有限元分析进行强度、疲劳等的分析,并且可以轻易的写篇洋洋洒洒的设计文档出来,忽悠菜鸟是不成问题了。而且如果你还没有当上设计主管的话,可能是人际关系上需要再努把力了

  7、菜鸟8级
  你已经隐隐约约的感受到简单而重复的设计出图是在浪费你的时间,因为这些东西你已经烂熟于胸。你更希望有更多的时间去致力于提升产品的整机竞争力,比如如何降成本,如何改进工艺流程,如何提升设计效率。你能够看到你的产品在结构、材料、功能上还有不足,你能够意识到这不是你一个人能改变的,你开始利用周边的技术资源进行系统的考量,制定产品竞争力提升的计划,并列出技术节点去一一攻破。

  8、菜鸟8级
  这个时候你已经超越“结构设计”的范畴了。你应该很清楚,你的产品在结构上已经没什么潜力可以挖掘了。但是围绕着结构,你能够关注到整机产品的各个特性需求,在EMC、散热、噪声、安规、环境、人机工程、DFX(DFM可制造性、DFI可安装性、DFA可装配性、DFT可测试性)等等一系列领域都能够灵活 渗透应用,全面提升产品的核心竞争力。

  9、菜鸟9级
  对整个产品的核心竞争力负责,是你的基础工作了。同时,你要了解国内外制造业相关标准规范,知道你的产品要在欧洲或北美销售会面临什么样的门槛,需要提供什么样的认证,你怎样提升你的产品来满足这些需求。你还必须对竞争对手的产品了如指掌,能够一针见血的指出对方的短木板,和你自己产品的优势所在。你了解行业动态,能够预见将来5年甚至十年该产品的发展趋势,并制定长期的发展战略,指导你的手下进行相关的技术积累。

本文转自公众号:安境迩,原文来自飞灵汽车网

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最新评论

引用 xww0.1 2017-9-30 19:28
看着很有道理啊~
引用 hlchangjia 2017-10-1 08:44
很有感触,各种力学数学公式很繁琐
引用 天空中曾经 2017-10-18 15:06
要学的东西好多呀,要是有人带带就好多了,

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